Le procédé à boues activées est la technologie de traitement biologique des eaux usées la plus largement utilisée. Dans un système à boues activées, les micro-organismes qui purifient les eaux usées sont dans un état de croissance en suspension - ils se regroupent en petits groupes, formant des flocs, et sont en suspension dans la liqueur mélangée sous aération, barattant avec le débit d'eau. Les micro-organismes et les eaux usées entrent en plein contact, éliminant ainsi les polluants présents dans l’eau.
Ce système fonctionne très bien, mais il présente un inconvénient : il est délicat. Si le volume des eaux usées entrantes augmente soudainement, si leur concentration augmente soudainement, si la température de l'eau chute soudainement ou si le pH fluctue de manière drastique, les micro-organismes peuvent « agir » - l'effet du traitement diminuera, ou même un gonflement des boues se produira, affectant le fonctionnement normal du système.
Les ingénieurs se sont donc demandé s'ils pouvaient changer leur approche, en permettant aux micro-organismes de « s'installer » dans un endroit fixe, au lieu de flotter constamment dans l'eau ?
C'est le processus du biofilm. En termes simples, le processus de biofilm utilise des micro-organismes se développant sur un support filtrant ou un support pour traiter les eaux usées.
L'idée centrale de la technologie des biofilms est simple : fournir aux micro-organismes des « maisons » fixes où ils peuvent s'installer, se reproduire et former une « communauté microbienne ». Les eaux usées circulent dans cette communauté et les polluants qu'elle contient sont consommés par les « résidents ».
Ces « maisons » sont professionnellement appelées matériaux d'emballage ou transporteurs. Différents processus de biofilm utilisent des supports complètement différents. Les types les plus courants sont :
Le premier type : Matériau de remplissage en oxydation par contact biologique – « boules de filaments en plastique » suspendues dans le réservoir
Le réservoir d'oxydation par contact est rempli de chaînes de matériaux d'emballage, ressemblant à de grandes brosses en plastique. Les eaux usées sont aérées depuis le fond du réservoir et évacuées vers le haut, ce qui fait osciller doucement ces matériaux d'emballage dans l'eau, recouverts d'un biofilm brun jaunâtre-. Ce type de matériau de garnissage présente une surface spécifique importante ; 1 mètre cube peut fournir 800 à 900 mètres carrés d'« espace vital ».
Le deuxième type : Disques en disques rotatifs biologiques – « disques rotatifs »
Les disques rotatifs biologiques n'utilisent pas de matériaux d'emballage ; leurs « maisons » sont les disques eux-mêmes – des dizaines de grands disques, de 2 à 3 mètres de diamètre, enfilés ensemble sur un arbre rotatif et entraînés lentement en rotation par un moteur à vitesse réduite. Le premier type implique un disque filtrant biologique, à moitié immergé dans les eaux usées et à moitié exposé à l’air. Les micro-organismes se développent des deux côtés du disque, adsorbant les polluants lorsqu'ils sont immergés et absorbant l'oxygène de l'air lorsqu'ils sont exposés à la surface. Cette conception a une consommation d'énergie relativement faible, ne nécessite aucune aération supplémentaire et est économique à utiliser.
Le troisième type : le matériau d'emballage pour un filtre à aération biologique (BAF) – « un lit filtrant composé de petits cailloux en céramique »
BAF utilise des petits cailloux en céramique d'un diamètre de 3 à 6 millimètres, entassés comme des petits cailloux dans la cuve. Les eaux usées s'écoulent du bas vers le haut, tandis que l'aération s'effectue simultanément depuis le bas. Cette conception à petites particules présente deux avantages : premièrement, une grande surface spécifique, ce qui entraîne une biomasse élevée par unité de volume ; Deuxièmement, les espaces entre les particules piègent les matières en suspension, rendant les effluents BAF exceptionnellement clairs.
Le quatrième type : le matériau d'emballage pour un biofiltre biologique (MBBR) – « de petites feuilles de plastique qui tombent dans l'eau »
Le MBBR utilise de petites feuilles de plastique suspendues, en forme de petites roues ou de cylindres, d'une densité légèrement plus légère que l'eau. Sous aération, ces matériaux d'emballage culbutent et s'écoulent continuellement dans le réservoir, permettant au biofilm d'entrer en contact avec les eaux usées lors de leur déplacement. Le matériel d’emballage est constamment en mouvement ; le biofilm vieillissant est effacé et un nouveau biofilm se développe continuellement, éliminant ainsi le besoin de lavage à contre-courant manuel. Il possède de fortes capacités autonettoyantes-et n'obstruera pas le réservoir.
Le cinquième type : le porteur d'un lit fluidisé biologique – « de minuscules particules tombant comme de la bouillie »
Les lits fluidisés biologiques utilisent des supports encore plus petits, généralement du sable de 0,3 à 1 mm, du charbon actif ou des particules de coke. Poussées par un flux d'eau ou d'air à grande vitesse, ces minuscules particules culbutent et se fluidifient continuellement comme de la bouillie. Le support étant extrêmement petit, chaque mètre cube de support peut fournir 2 000 à 3 000 mètres carrés d’espace vital, ce qui entraîne la concentration microbienne et le taux de chargement volumétrique les plus élevés parmi tous les processus de biofilm. Il présente une efficacité de traitement extrêmement élevée et un encombrement très réduit, mais sa conception et son fonctionnement sont également relativement complexes.
Ces différents types de « maisons » ont chacun leurs propres scénarios applicables. L'oxydation par contact convient au traitement des eaux usées de petite à moyenne taille-, le MBBR convient à la modernisation et à l'expansion, le BAF convient au traitement avancé, les disques rotatifs biologiques conviennent aux scénarios de petit-volume et d'économie d'énergie-, et les lits fluidisés biologiques conviennent aux eaux usées industrielles à haute-concentration ou aux scénarios avec un espace limité.
1. Comment « grandit » un biofilm ?
Lorsque le matériau d’emballage est placé dans les eaux usées et que les eaux usées continuent de s’y écouler, ce processus commence.
Étape 1 : Les micro-organismes passent et s’installent
Les eaux usées contiennent un grand nombre de micro-organismes. Lorsqu’ils s’écoulent sur la surface du matériau d’emballage, certains restent coincés. Cet attachement initial repose sur des interactions électrostatiques et des forces de Van der Waals.
Étape 2 : Du règlement temporaire au règlement à long-terme
Les micro-organismes bloqués commencent à sécréter une substance collante appelée substances polymères extracellulaires (API). Cette substance agit comme de la colle, fixant fermement les micro-organismes à la surface du matériau d’emballage, formant ainsi la « charpente architecturale » du biofilm.
Étape 3 : S’installer et se propager
Une fois installés, les micro-organismes commencent à se développer et à se reproduire. Un devient deux, deux devient quatre… Bientôt, une fine couche de film microbien recouvre la surface du matériau d’emballage. C'est le biofilm.
Étape 4 : Formation d'une communauté mature
Au fil du temps, le biofilm devient plus épais et les « résidents » qui le composent deviennent plus diversifiés. Non seulement des bactéries, mais aussi des champignons, des protozoaires et des métazoaires apparaîtront. Une chaîne alimentaire se forme entre eux : les bactéries mangent les polluants, les protozoaires mangent les bactéries et les métazoaires mangent les protozoaires. Un petit écosystème complet est ainsi établi.
Ce processus est appelé professionnellement formation de biofilm. Pour les eaux usées urbaines typiques, à des températures appropriées, la formation d’un biofilm peut être achevée en 7 à 20 jours environ.
2. Structure du biofilm
Bien qu’un biofilm ne soit qu’une fine membrane, sa structure interne est plutôt stratifiée. En fonction de la qualité des eaux usées et des conditions d'approvisionnement en oxygène, il se peut qu'elles ne forment pas toujours trois couches complètes ; dans certains scénarios, seules une couche aérobie et anaérobie peut se former.
La couche la plus proche du matériau d’emballage est la couche anaérobie. Cette couche est la plus éloignée des eaux usées, ce qui rend difficile la diffusion de l’oxygène. Il est principalement habité par des bactéries anaérobies. Ils n'ont pas besoin d'oxygène et obtiennent de l'énergie en décomposant des matières organiques complexes, mais leur efficacité de décomposition est relativement faible.
La couche la plus proche des eaux usées est la couche aérobie. Cette couche contient de l'oxygène relativement abondant et est habitée par des bactéries aérobies, qui constituent la « force principale » du processus ; c'est ici que se produit principalement la dégradation de la matière organique.
Si les eaux usées nécessitent une dénitrification, une couche anoxique se formera au milieu, où des bactéries facultatives peuvent effectuer la dénitrification, convertissant les nitrates en azote gazeux. C'est précisément grâce à cette structure en couches que le biofilm peut effectuer simultanément des réactions aérobies et anaérobies au sein de la même couche-, ce qui est difficile à réaliser dans les processus de boues activées à croissance en suspension.
3. Renouvellement du biofilm
Les biofilms ne se développent pas indéfiniment. Lorsqu’ils atteignent une certaine épaisseur, ils se détachent et se renouvellent. La raison principale est que la couche anaérobie à l’intérieur devient de plus en plus épaisse. Lorsque la couche anaérobie atteint une certaine épaisseur, les micro-organismes proches de la surface du support, manquant de matière organique pour se nourrir, entrent dans une phase de respiration endogène, affaiblissant leur capacité à s'attacher au support. Sous la force de cisaillement du flux d’eau externe, le biofilm vieillissant se détachera par plaques. Le biofilm détaché s'écoule avec le débit d'eau et de nouveaux micro-organismes s'attachent immédiatement aux sites détachés. De cette manière, l’ancien biofilm se détache et le nouveau biofilm se développe, maintenant ainsi un niveau élevé d’activité du biofilm.
Ce mécanisme se traduit par un taux de production de boues nettement inférieur à celui du procédé à boues activées. Bien que l'élimination périodique des boues soit toujours nécessaire, elle élimine le besoin d'un contrôle fréquent et précis requis par le processus de boues activées, simplifiant ainsi considérablement l'exploitation et la gestion.
4. Comparaison des processus de boues activées et de biofilm
Dans les boues activées, les micro-organismes sont en suspension dans la liqueur mélangée, tandis que dans le biofilm, les micro-organismes sont immobilisés sur le matériau d'emballage. Concernant la résistance aux charges de choc, les procédés à boues activées sont généralement moins efficaces, les fluctuations de la qualité et de la quantité de l'eau entraînant facilement une baisse de l'efficacité du traitement ; les processus de biofilm sont beaucoup plus forts et plus robustes.
En termes d'adaptabilité aux eaux usées à faible-concentration, les micro-organismes des boues activées sont sujets à une sous-alimentation, ce qui entraîne une diminution de leur activité ; les processus de biofilm maintiennent une activité élevée même avec de très faibles concentrations d’affluent.
En ce qui concerne le gonflement des boues, les procédés à boues activées sont sujets au gonflement des boues ; Ce n’est pas le cas des processus de biofilm, car les micro-organismes sont immobilisés.
En termes de biomasse par unité de volume, les procédés à boues activées produisent généralement 2 à 4 grammes par litre, tandis que les procédés à biofilm peuvent atteindre 10 à 20 grammes par litre, soit 3 à 5 fois plus.
En nitrification et dénitrification simultanées, le procédé à boues activées nécessite une recirculation entre différentes cuves ; le procédé biofilm, grâce à sa structure stratifiée, peut y parvenir au sein de la même cuve.
Comment choisir ? En termes simples : pour de grands volumes d’eaux usées municipales stables, le procédé à boues activées est une technologie mature ; pour les eaux usées présentant de grandes fluctuations de volume et de qualité, une faible concentration ou nécessitant une dénitrification simultanée, le procédé biofilm est plus avantageux.
5. Principaux processus des processus de biofilm
Les principaux processus comprennent : l'oxydation biologique par contact, le MBBR, le filtre biologique aéré (BAF), le disque rotatif biologique, le lit fluidisé biologique et les filtres biologiques traditionnels (ordinaires, à charge élevée, de type tour). Bien que ces processus diffèrent dans leur forme, leur principe de base est le même-permettant aux micro-organismes de s'attacher à un support pour former un biofilm, utilisant cette membrane pour purifier les eaux usées.
Les principales différences sont doubles : premièrement, le type de disques fixes "maison"-, le matériau de remplissage remplissant le réservoir, les petites particules de céramique empilées dans une couche filtrante, les petites feuilles de plastique culbutées ou les microparticules fluidisées ; deuxièmement, comment l'oxygène est fourni -ventilation naturelle, rotation du disque ou aération artificielle.
Le processus de biofilm consiste à créer des habitats pour les micro-organismes, leur permettant de s'installer et de contribuer au traitement des eaux usées.
Une fois que les micro-organismes s'installent dans leurs « maisons », ils sécrètent une substance collante pour s'ancrer, croître et se reproduire, formant un biofilm structuré -une couche aérobie externe responsable de la dégradation de la matière organique et une couche anaérobie interne responsable d'une décomposition ultérieure (une couche anoxique peut se former entre les deux, en fonction de la qualité de l'eau). Les eaux usées s'écoulent et les polluants sont progressivement absorbés par chaque couche. À mesure que le biofilm atteint une certaine épaisseur, les anciennes couches se détachent et de nouvelles continuent de croître. Il n'y a pas besoin de s'inquiéter du gonflement des boues ou des ajustements fréquents de décharge des boues, ce qui rend l'exploitation et la gestion beaucoup plus faciles !